Development of a Forecasting Model for Dengue Infection in Health Region 8 Using SARIMA and Holt-Winters Exponential Smoothing: Python

Authors

  • Kitsana Sugawong Office of Disease Prevention and Control, Region 8 Udon thani
  • Songyot Sriring Udon Thani Rajabhat University
  • Thitinan Klamsiri Office of Disease Prevention and Control, Region 8 Udon thani

Keywords:

Dengue infection, Disease forecasting, SARIMA, Holt-Winters, Python

Abstract

Dengue infection is a significant public health issue in Health Region 8. This study aims to develop and evaluate the performance of monthly dengue case forecasting models using Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average (SARIMA) and Holt-Winters Exponential Smoothing techniques to support disease control planning. The study utilized dengue case data from Health Region 8 during 2020–2024. The dataset was divided into a training set (2020–2023) and a testing set (2024). The SARIMA model was constructed by analyzing stationarity and determining parameters from The Autocorrelation Function (ACF) and Partial Autocorrelation Function (PACF) plots. The additive Holt-Winters Exponential Smoothing method was chosen to accommodate data exhibiting trends and seasonality. Model performance was evaluated using Mean Absolute Error (MAE), Root Mean Square Error (RMSE), and Mean Absolute Percentage Error (MAPE). The results showed that The SARIMA (2,0,0) (0,0,0)[12] model with intercept yielded MAE = 213.96, RMSE = 330.00, and MAPE = 49.65%, effectively forecasting the overall trend but lacking precision in detecting outbreak peaks. In contrast, the Holt-Winters Exponential Smoothing (Additive) model achieved MAE = 193.02, RMSE = 234.03, and MAPE = 52.32%, reflecting seasonal patterns more closely to the observed data. For the conclusion and recommendation, The Holt-Winters model demonstrated superior absolute accuracy (MAE and RMSE) compared to SARIMA in monthly dengue case forecasting, particularly in capturing seasonal patterns, although it exhibited a slightly higher MAPE. Both models offer distinct advantages: SARIMA is suitable for long-term policy planning, while Holt-Winters is more appropriate for short-term preparedness and response. Further research integrating additional factors is recommended to enhance forecasting accuracy.

References

World Health Organization. Dengue and severe dengue. World Health Organization [Internet]. 2024 [cited 2025 Feb 20]. Available from: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/dengue-and-severe-dengue

กรมควบคุมโรค กระทรวงสาธารณสุข. แพลตฟอร์มเฝ้าระวังดิจิทัล รายงานสถานการณ์โรค [อินเทอร์เน็ต]. [เข้าถึงเมื่อ 1 มีนาคม 2568]. เข้าถึงได้จาก: https://dvis3.ddc.moph.go.th/t/DDC_CENTER_DOE/views/DDS2/sheet33?%3Aembed=y&%3AisGuestRedirectFromVizportal=y

Pedregosa et al. Scikit-learn: Machine Learning in Python [Internet]. [Cited 2025 Mar 1]. Available from: https://scikit-learn.org/

วัชราภรณ์ ฉุนแสนดี, วัฒนา ชยธวัช, ปริญ ใจหนุน. การพยากรณ์จำนวนผู้ป่วยโรคไข้เลือดออก จังหวัดตาก พ.ศ. 2566 [อินเทอร์เน็ต].2566 [เข้าถึงเมื่อ 20 มีนาคม 2567]. เข้าถึงได้จาก:https://research.kpru.ac.th/journalscience/journal/3412024-09-11.pdf

กาญจนา ยังขาว, กัญญรัตน์ สระแก้ว. การพยากรณ์โรคไข้เลือดออก เขตพื้นที่เครือข่ายบริการที่ 9 ปี พ.ศ. 2556. วารสารรายงานการเฝ้าระวังทางระบาดวิทยาประจำสัปดาห์. 2556;44(37):577-84.

ปณิธี ธัมมวิจยะ. ความแม่นยำของการพยากรณ์ระยะสั้นของการเกิดโรคกลุ่มไข้เลือดออกด้วยการวิเคราะห์อนุกรมเวลา พ.ศ. 2551–2556. รายงานการเฝ้าระวังทางระบาดวิทยาประจำสัปดาห์. 2557;45(15):225-31.

Hyndman RJ., Athanasopoulos G. Forecasting: principles and practice. 2nd ed. Melbourne: OTexts; 2018 [Internet]. [Cited 2025 Mar 1]. Available from: https://otexts.com/fpp2

Chen X, Moraga P. Assessing dengue forecasting methods: a comparative study of statistical models and machine learning techniques in Rio de Janeiro, Brazil. Trop Med Health [Internet]. 2025 [Cited 2025 April 2]; 53(52):23. Available from: https://doi.org/10.1186/s41182-025-00723-7

Jim Frost. Mean Absolute Percentage Error [MAPE] [Internet]. [Cited 2025 April 2]. Available from: https://statisticsbyjim.com/glossary/mean-absolute-percentage-error/?utm_source=chatgpt.com

Downloads

Published

2025-12-15

How to Cite

1.
Sugawong K, Sriring S, Klamsiri T. Development of a Forecasting Model for Dengue Infection in Health Region 8 Using SARIMA and Holt-Winters Exponential Smoothing: Python . JODPC8 [internet]. 2025 Dec. 15 [cited 2026 Jan. 13];3(3):51-64. available from: https://he03.tci-thaijo.org/index.php/JODPC8/article/view/4359

Issue

Section

Research article